1942年11月，为夺取斯大林格勒，德国人越来越孤注一掷，将大部分可用资源投入这一目标，导致突击集团的侧翼掩护拉伸到极其薄弱的程度，只能辅以卫星国能力低下的军队。虽然知道苏军正在侧翼集结，但德国人低估了其规模，误判了其目的，最重要的是低估对方日益增长的能力。德军的进攻到达顶点时，苏军最高统帅部大本营预备队仍掌握着强大的力量：189个步兵师、30个坦克和机械化军、78个步兵旅、159个独立坦克旅和10个航空兵军（每个军编有120—270架战机）。一旦莫斯科遭受的威胁得到解除，这些为反攻节省下来的力量将用于中央和南部的主要突击。与去年相比，他们的装备、编成和训练好得多，因而准备践行修订后的相关学说。
到1942年12月，苏联人正学着集结突击集群，这使他们获得了足够的优势，为此，他们还悄悄使用了马斯基罗夫卡（苏军秉持着一种与西线盟军截然不同的作战理念，他们擅于达成欺骗和突然性，这个概念称作“马斯基罗夫卡”）。苏军一举歼灭担任侧翼掩护的罗马尼亚集团军，仅用五天便包围了德军斯大林格勒集团，到第十天，他们已牢固设立起一道合围对内正面，对外正面则成功挫败了德军解救被围部队的企图。
重拾信心的红空军为各兵团提供的空中支援越来越有效，斯大林格勒的空中封锁导致德国人为被围部队提供空运补给的企图全然无效。同时，红军扩大攻势，在此过程中歼灭匈牙利和意大利集团军，其目的是夺取罗斯托夫，从而切断高加索山区两个德国集团军的生命线。但是，他们不得不缩减这场纵深推进的规模，因为被困斯大林格勒之敌的庞大规模要求他们将6个集团军悉数投入并用两个多月时间将其歼灭。
通过熟练的战役机动，德国人得以挫败红军这个更大的意图并将第1装甲集团军撤出高加索，但无法避免第6集团军和第4装甲集团军一部覆灭于斯大林格勒，这是德军作战序列中最大的战役集团。他们也无法应对红军随后以斯大林格勒会战胜利后腾出的兵团和调自最高统帅部大本营预备队的新锐力量向西北方发起的攻势，这些战役使红军几乎沿宽达400千米的正面推进360—520千米到达第聂伯河。态势直到次年2—3月才稳定下来，过度拉伸的苏军遭到消耗，超出空中支援的范围，在逻辑上已难以为继，故而被德军的反突击逼退。德国人再次证明自己具备实施战役机动的出色能力，一举歼灭苏军贪功冒进的快速力量并复夺哈尔科夫，但没能拿下库尔斯克。这些战役使苏军的损失超过88万，其中不可归队减员约为32.6万人，但他们也令德军及其盟友伤亡约60万，而且无法补充在人员和装备上蒙受的损失。
虽说在南方赢得了惊人的胜利，但苏军并未满足。他们还是无法分清理想与可能，期盼在中央地带赢得一场同样辉煌的胜利，以同时发起的同等规模的攻势消灭勒热夫突出部，该突出部仍被视作对莫斯科的一个威胁。这场行动严重受挫，后来在北方解救列宁格勒的行动和在中央地带再度发起的攻势同样如此。高加索山区的德军有序撤离并在库班坚守一座登陆场。红军离学习曲线的顶端尚远，但重要的是，他们从敌人手中夺得了战略主动权。从1943 年夏季起，德国人（而非苏联人）不得不推测或猜想下一轮打击将落在何处，以及该如何应对。
交战双方筋疲力尽，加之后勤的限制和春季化冻及降雨的影响，一场战役间歇不可避免。双方都在思考他们的下一步行动。德国人意识到，下降的能力使他们无力发起1942 年规模的战略性进攻，更不用说1941 年那种攻势了。但他们并未选择战略防御，而是力图以一场有限行动切断并消灭庞大的库尔斯克突出部（2.2 万平方千米）。歼灭突出部内的苏军诸集团军或许能恢复战略主动性并创造更多的可能，斯大林也许会在可接受的条件下被迫求和。通过削弱其他地带防线的实力并调集所有预备队，德国人拼凑起一股强大的作战力量：65 万人、2600 辆坦克和自行火炮、1800架战机。
但与这股力量同样令人印象深刻的是，苏联守军的数量优势约为二比一。同时，红军总参谋部已说服斯大林从以往不成熟、过于雄心勃勃的进攻战役中吸取教训。虽然有能力遂行进攻，但苏军将节约兵力，先承受德军显然即将发起的冲击，尔后转入反攻，打击遭到削弱并丧失平衡之敌。扼守突出部的两个方面军集结起132.5 万人、3500 辆坦克和自行火炮、1.88 万门火炮和迫击炮并获得约2900 架战机的支援。草原方面军担任预备队——其实力相当于总战斗力量的三分之一——以此加强两个方面军。苏军还可以调集空军预备力量， 而德国空军已悉数投入。苏联人获得三个多月时间组织精心构筑、纵深梯次配置的防御，防区内遍布防坦克支撑点和防坦克地域并获得密集雷区的掩护。
德军7 月5 日发动猛攻，但立即遇到麻烦。准备不足之敌、突然性和空中优势是装甲闪电战的精要，但这些条件已不复存在；克服敌阵地防御并打开突破口以便投入快速兵团所需要的炮兵和步兵力量同样如此。从一开始，这场进攻设想的就是消耗战，而非装甲力量快速的深远突击。经过一周激战，德军之北钳仅推进12 千米，南钳也只取得35 千米的进展，而他们的企图是切断宽达250 千米的突出部。实际上，前者甚至没能突破苏军防御战术地幅。德国空军的表现也好不到哪里去，仅偶尔取得空中均势，实力不断削弱；反观苏联空军，尽管损失更高，但由于不断调来援兵，实力日趋增强。德军的攻势无疑已是强弩之末，希特勒坚持撤出至关重要的武装党卫队第2装甲军以抗击英美军队对西欧的登陆，此举直接加速了库尔斯克战役的结束。
按照计划，一旦进攻方陷入对庞大预设阵地的缓慢突破，红军就将以战役预备队和从先前的主攻或牵制性进攻中变更部署的力量展开一连串谨慎的反攻。7月12日，两个方面军（后来扩大为三个）着手消灭库尔斯克突出部北面的奥廖尔突出部。他们认真隐蔽准备工作，加之敌人专注于自己的进攻，故而达成了突然性。进攻初期进展较快，德国人随后匆匆将库尔斯克半僵持状态的强大力量变更部署。之后，红军的进展非常缓慢，直到38天后才消除该突出部。
7月17日，红军在更南面发起两场牵制性进攻，以此吸引敌人为消灭库尔斯克突出部而集结的预备队。待德军预备队悉数投入后，苏军于8月3日在先前进攻地带的南面展开主要突击。他们再度秘密准备，这次辅以一个精心策划的欺骗计划，确保达成突然性。三周内，投入的两个方面军从别尔哥罗德攻击前进，复夺哈尔科夫并击退德军的反突击。苏军的空中部队现已夺得制空权，尽管德国人仍能以局部和临时性的方式恢复空中主导权。到8月底，从布良斯克到亚速海的德国军队已严重失衡并遭到重创。就连始终强调寸土必争的希特勒，也认为撤至第聂伯河是保全南方集团军群的必要举措。
苏联人无意让对方有序后撤并沿第聂伯河占据新防线。斯大林命令八个方面军（很快会优化为六个）从斯摩棱斯克以北至库班展开另一场全面进攻。8月7日，苏军意图夺取斯摩棱斯克，这一行动遭遇败绩，但牵制住大批德军力量。后来这些力量不得不变更部署移至别处，苏军遂于9月初恢复进攻，这次取得了成功，但代价高昂。8月13日，苏军在顿巴斯发起一场大规模攻势，而月底的切尔尼戈夫—波尔塔瓦战役将南方的攻势扩大到一条750千米宽的战线上，旨在沿宽大正面强渡第聂伯河。到11月底，从白俄罗斯南部到东南方第聂伯河大弯曲部，这场攻势全面突破德军河流防线，肃清了库班并将克里木切断。
战争第二阶段，突然性一直被视为成功的关键，而到第三阶段，红军将在实现突然性方面达到非凡的水准。
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